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深圳計為自動化技術有限公司
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超聲波液位計抗干擾設計
2020-08-10
在復雜多樣的工業環境中，工業儀表安裝現場必定伴隨著各種電磁干擾，要求測量設備或控制系統能在此復雜電磁環境中可靠運行，并具有不對周圍任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力，即要求安裝在現場的各種設備或系統具有良好的電磁兼容性（EMC）。
超聲波液位計一般以超高運算能力微處理器MCU的為核心，通過高精度濾波電路，捕獲、放大經過各種復雜的液位/物位工況發射衰減后的超聲波脈沖信號，微處理器MCU對該信號分析處理后輸出準確液位/物位信息。超聲波液位計的這種電路結構特別易受附近的大型工業設備的電磁干擾，導致工作不穩定、測量精度下降、甚至死機等故障。在產品研發過程中，計為工程師發現因大型電機或變電器產生的電瞬變快速脈沖群(EFT)干擾信號，是導致MCU和高精度濾波電路無法正常工作的主要干擾源。
針對EFT干擾信號，一些客戶在采購工業現場儀器儀表時會依據國際IEC61000-4-4標準（國標GB/T17626.4電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗在工業環境中的性能標準）提出特定技術指標要求：帶MCU微處理器的儀器需通過±1KV的A級性能①測試和±2KV的B級性能①測試。
計為自動化在超聲波液位計產品研發初始階段，針對抗EFT干擾實驗中出現以下現象：①±2KV條件下儀器出現自動重啟和頻繁死機現象，且無法自行恢復，必須重新上電才能恢復正常，該現象證實產品抗干擾性能較差。②在按下設置和選擇等按鈕調試時，出現停機或死機現象。③測量不準確，物位數據跳動異常。
我們上述測試結果分別深入分析，分別采取不同對策。
首先，針對問題①的停機，根據經驗判斷IC（MCU）的RESET引腳和供電部分，受到嚴重干擾，一般的群脈沖干擾會通過電源線引入，雖然供電部分電路上已經有不少濾波器件，但由于器件布局不科學，間距及鋪地無法有效形成近地屏蔽。以此為方向我們重新規整電路布局，同時增加更合適的濾波器件。其次，綜合上述①和②問題，同時對MCU其他連有外設的I/O口，采取增加隔離和濾波器件，并對MCU芯片作屏蔽處理。再次，針對問題③，我們通過示波器波形圖中觀察到回波信號受到的嚴重的干擾，顯然這與信號處理電路的濾波能力息息相關。另外，由于產品結構必須滿足高隔爆設計，計為自動化超聲波液位計采用金屬外殼設計，金屬外殼與內部電路的之間形成分布電容，因此干擾信號會經由敏感器件與金屬外殼之間的分布電容傳播。應對方法是在布局上，敏感器件（特別是一些精密運放，高精度電容和變壓器等）與外殼的距離盡量增大，以減小分布電容；對敏感器件增設屏蔽罩以防止近場空間干擾；原有插件式的元件盡可能替換成貼片式；參考地的鋪設也應覆蓋敏感器件；在布線上換能器（探頭）的驅動和檢測回路也應盡量的短，以減小近場耦合的影響；在信號輸出電路增加磁珠以增加抗干擾能力。經上述整改后，結果測試效果非常好，原有的停機和死機現象得到消除，設備工作穩定，測量數據準確可靠，順利通過±2KV的EFT測試，抗EFT干擾性能達到國標B級。
計為自動化超聲波液位計抗EFT干擾性能達到國標±2KV的EFT測試B級性能后，計為工程師繼續跟蹤客戶對儀表后續使用情況，并實地考察了全國各地客戶作業現場，其中包括一些大型污水處理廠、化工廠、石油生產及加工企業等。我們了解到大型工業現場中，儀表往往無法避免地的安裝在大型的工業設備（如大型壓力泵、變電器、大功率電機等）附近，這些大型設備單一或多個同時工作時產生的電磁干擾信號非常強烈，遠超一般標準，抗EFT干擾性能通過±2KV的B級性能測試的儀表也無法可靠工作。為了進一步提高計為自動化超聲波液位計抗干擾能力，以適應類似的極端工況，確保企業安全生產，計為工程師以客戶現場需求作為產品最終設計目標，延續先前的設計和整改理念，繼續提升超聲波液位計儀表的EMC性能指標，以通過最高等級的EFT測試條件--——±4KV的A級性能測試為目標進行后續整改。
±4KV的EFT測試結果及現象：①信號測量不準確，回波信號再次受到干擾；②伴隨著測試設備群脈沖干擾信號的發射，電路板上一些器件出現放電打火現象。針對問題①，計為工程師通過深入分析和大量實驗發現，升壓變壓器為高匝比推挽變壓器，變壓器對電流變化敏感，而干擾信號經由變壓器侵入后續放大電路，從而干擾到檢測電路。通過增加濾波電感，增設變壓器屏蔽罩，在線路布局上進一步縮短變壓器與超聲波換能器（探頭）的回路距離，回波信號受干擾現象得到消除。針對問題②，計為工程師發現一些高壓電容因為采用標準的插件式器件，在PCB布局上引腳距離較短，無法滿足超高壓下放電間隙要求。在整改中增加更高規格的高壓濾波器件，PCB板間的接地金屬片與其他元器件距離拉大，器件盡量遠離電路板邊緣，增加與外殼的電氣間隙。此外電路模塊增加刷涂防電膠工藝，增加靜電隔離，并且外殼改良采用高絕緣度的琺瑯烤漆。經過上述整改后，放電現象消除。最終計為超聲波液位計順利通過了EFT±4KV的性能A級測試，成就了計為超聲波液位計遠超同行同類產品的抗干擾能力。
計為超聲波液位計的產品研發，自始至終以EMC性能作為產品質量的重要指標，以最高等級的試驗標準來設計產品和測試產品，該產品EMC設計符合IEC61000-4(GB/T17626.2)標準，通過-了EFT±4KV的A級性能、ESD靜電釋放A級性能和浪涌的各項測試，有效確保儀表能在各種嚴酷嘈雜的工業環境中穩定可靠工作。
①附抗擾度試驗的性能判據：
性能判據A級：試驗時，在規定限值內性能正常；
性能判據B級：試驗時，功能或性能暫時降低或喪失，但能自行恢復。
性能判據C級：試驗時，功能或性能暫時降低或喪失，但需要操作者干預或系統復位。
超聲波液位計一般以超高運算能力微處理器MCU的為核心，通過高精度濾波電路，捕獲、放大經過各種復雜的液位/物位工況發射衰減后的超聲波脈沖信號，微處理器MCU對該信號分析處理后輸出準確液位/物位信息。超聲波液位計的這種電路結構特別易受附近的大型工業設備的電磁干擾，導致工作不穩定、測量精度下降、甚至死機等故障。在產品研發過程中，計為工程師發現因大型電機或變電器產生的電瞬變快速脈沖群(EFT)干擾信號，是導致MCU和高精度濾波電路無法正常工作的主要干擾源。
針對EFT干擾信號，一些客戶在采購工業現場儀器儀表時會依據國際IEC61000-4-4標準（國標GB/T17626.4電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗在工業環境中的性能標準）提出特定技術指標要求：帶MCU微處理器的儀器需通過±1KV的A級性能①測試和±2KV的B級性能①測試。
計為自動化在超聲波液位計產品研發初始階段，針對抗EFT干擾實驗中出現以下現象：①±2KV條件下儀器出現自動重啟和頻繁死機現象，且無法自行恢復，必須重新上電才能恢復正常，該現象證實產品抗干擾性能較差。②在按下設置和選擇等按鈕調試時，出現停機或死機現象。③測量不準確，物位數據跳動異常。
我們上述測試結果分別深入分析，分別采取不同對策。
首先，針對問題①的停機，根據經驗判斷IC（MCU）的RESET引腳和供電部分，受到嚴重干擾，一般的群脈沖干擾會通過電源線引入，雖然供電部分電路上已經有不少濾波器件，但由于器件布局不科學，間距及鋪地無法有效形成近地屏蔽。以此為方向我們重新規整電路布局，同時增加更合適的濾波器件。其次，綜合上述①和②問題，同時對MCU其他連有外設的I/O口，采取增加隔離和濾波器件，并對MCU芯片作屏蔽處理。再次，針對問題③，我們通過示波器波形圖中觀察到回波信號受到的嚴重的干擾，顯然這與信號處理電路的濾波能力息息相關。另外，由于產品結構必須滿足高隔爆設計，計為自動化超聲波液位計采用金屬外殼設計，金屬外殼與內部電路的之間形成分布電容，因此干擾信號會經由敏感器件與金屬外殼之間的分布電容傳播。應對方法是在布局上，敏感器件（特別是一些精密運放，高精度電容和變壓器等）與外殼的距離盡量增大，以減小分布電容；對敏感器件增設屏蔽罩以防止近場空間干擾；原有插件式的元件盡可能替換成貼片式；參考地的鋪設也應覆蓋敏感器件；在布線上換能器（探頭）的驅動和檢測回路也應盡量的短，以減小近場耦合的影響；在信號輸出電路增加磁珠以增加抗干擾能力。經上述整改后，結果測試效果非常好，原有的停機和死機現象得到消除，設備工作穩定，測量數據準確可靠，順利通過±2KV的EFT測試，抗EFT干擾性能達到國標B級。
計為自動化超聲波液位計抗EFT干擾性能達到國標±2KV的EFT測試B級性能后，計為工程師繼續跟蹤客戶對儀表后續使用情況，并實地考察了全國各地客戶作業現場，其中包括一些大型污水處理廠、化工廠、石油生產及加工企業等。我們了解到大型工業現場中，儀表往往無法避免地的安裝在大型的工業設備（如大型壓力泵、變電器、大功率電機等）附近，這些大型設備單一或多個同時工作時產生的電磁干擾信號非常強烈，遠超一般標準，抗EFT干擾性能通過±2KV的B級性能測試的儀表也無法可靠工作。為了進一步提高計為自動化超聲波液位計抗干擾能力，以適應類似的極端工況，確保企業安全生產，計為工程師以客戶現場需求作為產品最終設計目標，延續先前的設計和整改理念，繼續提升超聲波液位計儀表的EMC性能指標，以通過最高等級的EFT測試條件--——±4KV的A級性能測試為目標進行后續整改。
±4KV的EFT測試結果及現象：①信號測量不準確，回波信號再次受到干擾；②伴隨著測試設備群脈沖干擾信號的發射，電路板上一些器件出現放電打火現象。針對問題①，計為工程師通過深入分析和大量實驗發現，升壓變壓器為高匝比推挽變壓器，變壓器對電流變化敏感，而干擾信號經由變壓器侵入后續放大電路，從而干擾到檢測電路。通過增加濾波電感，增設變壓器屏蔽罩，在線路布局上進一步縮短變壓器與超聲波換能器（探頭）的回路距離，回波信號受干擾現象得到消除。針對問題②，計為工程師發現一些高壓電容因為采用標準的插件式器件，在PCB布局上引腳距離較短，無法滿足超高壓下放電間隙要求。在整改中增加更高規格的高壓濾波器件，PCB板間的接地金屬片與其他元器件距離拉大，器件盡量遠離電路板邊緣，增加與外殼的電氣間隙。此外電路模塊增加刷涂防電膠工藝，增加靜電隔離，并且外殼改良采用高絕緣度的琺瑯烤漆。經過上述整改后，放電現象消除。最終計為超聲波液位計順利通過了EFT±4KV的性能A級測試，成就了計為超聲波液位計遠超同行同類產品的抗干擾能力。
計為超聲波液位計的產品研發，自始至終以EMC性能作為產品質量的重要指標，以最高等級的試驗標準來設計產品和測試產品，該產品EMC設計符合IEC61000-4(GB/T17626.2)標準，通過-了EFT±4KV的A級性能、ESD靜電釋放A級性能和浪涌的各項測試，有效確保儀表能在各種嚴酷嘈雜的工業環境中穩定可靠工作。
①附抗擾度試驗的性能判據：
性能判據A級：試驗時，在規定限值內性能正常；
性能判據B級：試驗時，功能或性能暫時降低或喪失，但能自行恢復。
性能判據C級：試驗時，功能或性能暫時降低或喪失，但需要操作者干預或系統復位。
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